一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法与流程

1.本发明涉及一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法，属于厨余垃圾资源化处理技术领域。


背景技术：

2.人口增长、气候变化、土地利用改变和环境污染等问题给人类生存带来了巨大压力，构建良性循环、具有内在联系和相互依存关系的食物
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能源
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水（food
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energy
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water, few）系统已被公认为是缓解环境压力的潜在途径。
3.厨余垃圾产生量巨大，据统计，中国厨余垃圾产生量超过7000万吨/年，大中型城市厨余垃圾的产生量均超过500吨/天。厨余垃圾既是一种废物，同时也是一种资源。一方面，我国餐厨垃圾富含脂肪、蛋白、纤维素等有机物质，并且含有氮、磷、钾、钙以及各种微量元素，有毒有害化学物质（如重金属、抗生素等）含量很少。另一方面，厨余垃圾含有大量浮油、盐含量高、极易腐烂变质、易携带病原菌，如果处理不当会造成环境的危害。目前厨余垃圾的处理一般是采取制作饲料、填埋等处理，都具有相应的缺陷。因此亟需高效环保处理厨余垃圾的工艺。
4.水热炭化（hydrothermal carbonization，htc）是一种新型物质转化过程，其可在相对较低的温度（<350℃）和能量输入条件下，在短时间内将高含水量的原料转化为水炭和炭液，其中炭液中含有大量的营养元素并且富含大量的氨基酸，可以被植物直接吸收。此技术目前已受到国际社会的广泛关注，其为废弃物中的处理和循环利用提供了新的解决方案，可以在保证积极环境效应的同时促进食物
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能源
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水的可持续性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法，解决厨余垃圾中含有的油、盐对产品性质影响的问题，得到性质稳定的产品，并且控制能耗最低。。
6.本发明采用如下技术方案：一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法，其包括以下步骤：s1、将收集来的厨余垃圾进行固液分离，分离得到厨余垃圾固体和泔水，将泔水进行油水分离，得到油和污水；s2、将分离出的污水通入反渗透装置，通过反渗透装置去除污水中的钠离子，得到净化水；s3、将分离出的厨余垃圾固体按固液比1:1.5~1:2加入水，作为水热炭化反应的原料，将原料粉碎；s4、将粉碎后的原料加入反应釜内，反应物料为反应釜容积的1/3~2/3，设置反应釜工作温度为180 ℃，停留时间为60 min，反应过程开启反应釜内的搅拌头，反应结束后关闭电源，待反应釜卸压冷却；s5、打开反应釜出料口，反应釜中反应后的物料进入压滤机，对反应后的物料进行
固液分离，得到固态产品水炭和液态产品炭液，固态产品水炭用作土壤改良剂，液态产品炭液用作液体肥料。
7.作为优选的，将步骤s2得到的净化水作为水热炭化反应的原料水参与反应，水不够时加入清水补充。
8.作为优选的，将步骤s2中分离出的油作为生产生物柴油的原料回收。
9.作为优选的，所述反应釜有两个，将第一个反应釜反应后物料压滤后得到将炭液加入第二个反应釜中循环参与反应，两个反应釜工作参数相同。
10.作为优选的，经压滤机压滤后产生的液态产品导入反应釜作为反应原料循环使用三次。
11.作为优选的，所述反应釜外设有冷却盘管，冷却盘管内的水通入冷却水箱中进行回收，反应釜内的反应结束后从冷却盘管通入冷却水，利用冷却盘管内的冷却水对反应釜冷却，所述冷却水箱连接在两个反应釜的冷却盘管之间，冷却水箱的出口与第一个反应釜冷却盘管的进口连接，第一个反应釜冷却盘管的出口与第二个反应釜的冷却盘管进口连接，第二个反应釜冷却盘管的出口与冷却水箱的进口连接。
12.作为优选的，步骤s1中，厨余垃圾的固液分离、泔水的油水分离均在固液分离器中进行，使用重力法对厨余垃圾进行固液分离，根据密度差实现泔水中的油水分离。
13.作为优选的，步骤s3中对原料的粉碎使用研磨粉碎机，转速2880 r/min，粉碎后的物料最大粒径不超过2 mm。
14.作为优选的，步骤s4中，反应釜的升温时间为2~3h，反应釜内的压强为1.0~1.8 mpa，搅拌头的转速为200~300 r/min；反应釜内温度降至45 ℃以下时打开反应釜出料。
15.作为优选的，步骤s5中经压滤机压滤后的水炭含水率小于30 %。
16.本发明的有益效果是：1、厨余垃圾经固液分离后得到固态垃圾、油和污水，其中固态垃圾是本发明的主要原料，油可作为生产生物柴油的原料回收，污水通过反渗透装置去除钠离子后作为原料水参与反应。既解决了厨余垃圾中油、盐对产品性质的不利影响，又实现了厨余垃圾的完全资源化利用。
17.2、反应时间快、能耗低、产品的附加值高，且整个过程无二次污染产生；可以实现将厨余垃圾质量减量90%，体积减量60%。具有较好的环境效益和经济效益。
18.3、液态产品炭液可以溶解大量厨余垃圾中含有的营养元素，并且富含氨基酸，本身无毒无害，经过一定前处理，可以作为液体肥料施用于植物生长。
19.4、固态产品具有稳定的物理、化学性质，可以作为土壤改良剂提高土壤保水保肥各项指标。
附图说明
20.图1是本发明一种实施例的水热炭化技术处理厨余垃圾的方法所使用的系统设备流程图；图2是本发明的方法得到的液体肥料中的氨基酸成分表；图3是本发明的方法得到的液体肥料中的元素组成表；图4是本发明的方法得到的水炭和液体肥料生产过程中的元素转化率表；图5是本发明的方法得到的水炭作为土壤改良剂中的性能参数表；
图6是本发明的方法得到的水炭中的微量元素的含量表；图7是本发明的方法得到的水炭中的有害物质的含量表；图8是水头
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6cm时的土壤入渗试验结果；图9是水头
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20cm时的土壤入渗试验结果。
21.图中：1
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原料桶，2
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固液分离器，3
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反渗透装置，4
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破碎机，5
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截止阀，6
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提升泵，7
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反应釜，8
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电机，9
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搅拌头，10
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压滤机，11
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固体储存桶，12
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液体储存桶，13
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冷却水箱。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
23.本发明一种实施例的水热炭化技术处理厨余垃圾的方法所使用的系统设备如图1所示，本实施例是以50 l的水热反应釜为例，本实施例的水热炭化技术处理厨余垃圾的方法，其包括以下步骤：s1、将收集来的总量30 l的厨余垃圾进行固液分离，分离得到厨余垃圾固体和泔水，将泔水进行油水分离，得到20 kg的厨余垃圾固体、1.5 l油和15 l污水，厨余垃圾的固液分离、泔水的油水分离均在固液分离器中进行，使用重力法对厨余垃圾进行固液分离，根据密度差实现泔水中的油水分离。
24.s2、将分离出的污水通入反渗透装置，通过反渗透装置去除污水中的钠离子，得到净化水。
25.s3、将分离出的厨余垃圾固体按固液比1:1.5~1:2加入水，作为水热炭化反应的原料，本实施例中使用s2中得到净化水作为水热炭化反应的原料水参与反应，水不够时加入清水补充；使用研磨粉碎机将原料粉碎成直径为0.5
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2 mm的浆状物，研磨粉碎机转速2880 r/min，粉碎后的物料最大粒径不超过2 mm。
26.s4、将粉碎后的原料加入反应釜内，反应物料为反应釜容积的1/3~2/3，设置反应釜工作温度为180 ℃，反应釜的升温时间为2~3h，反应釜内的压强为1.0~1.8 mpa，停留时间为60 min，反应过程开启反应釜内的搅拌头，搅拌头的转速为200~300 r/min，反应结束后关闭电源，待反应釜卸压冷却，为保证安全，反应釜内温度降至45 ℃以下时才能打开反应釜出料。
27.本实施例中反应釜有两个，将第一个反应釜反应后物料压滤后得到将炭液加入第二个反应釜中循环参与反应，两个反应釜工作参数相同，两个反应釜内液相如此循环。
28.所述反应釜外设有冷却盘管，冷却盘管内的水通入冷却水箱中进行回收，反应釜内的反应结束后从冷却盘管通入冷却水，利用冷却盘管内的冷却水对反应釜冷却，使反应釜冷却速度更快。所述冷却水箱连接在两个反应釜的冷却盘管之间，冷却水箱的出口与第一个反应釜冷却盘管的进口连接，第一个反应釜冷却盘管的出口与第二个反应釜的冷却盘管进口连接，第二个反应釜冷却盘管的出口与冷却水箱的进口连接。
29.s5、打开反应釜出料口，反应釜中反应后的物料进入压滤机，对反应后的物料进行固液分离，得到固态产品水炭和液态产品炭液，固态产品水炭用作土壤改良剂，液态产品炭液用作液体肥料。经压滤机压滤后的水炭含水率小于30 %。经压滤机压滤后产生的液态产品炭液导入反应釜作为反应原料循环使用三次，使用炭液循环生产的固态水炭相比初始产量可增加10%。
30.本发明可以实现将厨余垃圾质量减量90%，体积减量60%。最终分别得到2 kg的水炭和20 l的炭液。整个过程没有二次污染物排放，不会对环境造成危害。整个反应能耗较低，处理成本约为300元/吨厨余垃圾。
31.最终得到的炭液作为液体肥料，液体肥料中氨基酸的成分内容如图2中表格所示，液体肥料的元素组成如图3中表格所示。最终得到的水炭作为土壤改良剂，水炭和液体肥料生产过程中的元素转化率如图4中的表格所示。
32.得到的炭液作为液体肥料的试验过程如下：将通过水热炭化厨余垃圾产生的液体肥料通过复配、稀释，分别稀释60倍、90倍进行灌溉试验，并与商品液体肥料进行对比。每周灌溉2次，以3 kg的盆钵为例，每次200 ml。在生菜的40天生育期后，发现水热炭化氨基酸有机肥可以达到与商品液体肥料相同的效果，并与空白对照相比大大增加了生物量。
33.通过水热炭化厨余垃圾产生的水炭作为土壤改良剂，测试其中的营养元素及重金属含量，如图5中表格所示，水炭土壤改良剂含有较高的有机碳含量，并且具有较大的比表面积，可以吸收土壤中的离子，起到保肥的作用；如图6中表格所示，水炭土壤改良剂含有较高的营养元素含量，在施入土壤的过程中，可以缓效释放供植物吸收；如图7中表格所示，水炭土壤改良剂重金属含量远远低于国家标准，并不会产生二次污染等问题。图5至图7中表格的第一行中的数值均表示本实施例中的土壤改良剂的参数，第二行括号中的数值表示本实施例中土壤改良剂的各参数与国家标准的差值。本实施例中土壤改良剂的各参数的值均大于国家标准。
34.水炭作为土壤改良剂的试验如下：本试验在南京农业大学实验基地进行，试验日期为2020年7月到2021年1月。供试土壤为高潮土，典型的沙土。本试验供设置5个处理，分别为对照（ck）、其他土壤改良剂（hc1）、水炭土壤改良剂（hc2），每个处理3个重复。采用60 cm高的土柱进行试验，顶端20 cm的土壤按照质量的1%、2%的比例分别均匀混合水炭土壤改良剂。分别进行土壤淋溶和土壤入渗试验，土壤入渗试验给入渗仪设定不同的负压水头（水头
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6cm和水头
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20厘米），用以区分土壤中大小空隙的分布情况，土壤入渗试验结果如图8至图9所示。结果表明，水炭土壤改良剂的施加能有效减缓土壤的水分入渗速度，提高土壤保水性质，从而改善植物生长条件。
35.总的来说，本发明产出的固体产物可以生产出高附加值的土壤改良剂，可以明显降低土壤的入渗速率，减少累计入渗量，对于边际土壤有较强的修复能力。与现有对厨余垃圾的处理技术和土壤改良剂制备的工艺相比，本发明需要较低的能耗，较少的前处理，较快的反应时间，整个过程无二次污染产生，并且产物可以做成高附加值的土壤改良剂和液体肥料，达到食物、水与能源高效循环利用的目的。
36.需要说明的是，在本发明中，诸如s1和s2等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
37.上述实施例是本发明一种优选的实施例，在本发明其它的实施例中，反应釜的数
量可以是一个，也可是两个以上的任意数量。
38.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。